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54能量之源
高一生物学案
课题
5.4能量之源——光与光合作用(第二课时)——光合作用的原理和应用
一【自主学习】
光合作用是指通过,利用,把和转化成储存着的有机物,并且释放出的过程。
(一)光合作用的探究历程:
1.1771年,英国科学家普利斯特利,通过实验证实,植物可以。
2.1779年,荷兰科学家英格豪斯发现,只有在照射下,绿叶才能更新空气。
3.1845年,德国科学家梅耶指出,植物在进行光合作用时,把转换成储存起来。
4.1864年,德国植物学家萨克斯通过实验成功地证明光合作用的产物除氧气外还有。
5.1880年,美国科学家恩格尔曼证明:
氧由释放出来,它是光合作用的场所。
6.1941年,美国科学家鲁宾和卡门利用证明光合作用释放的氧气来自。
7.20世纪40年代,美国科学家卡尔文等用小球藻做实验,探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径,这一途径称为。
(二)光合作用的过程:
1.光合作用过程的化学反应式为,其中的(CH2O)表示。
2.光反应阶段必须有才能进行,光反应阶段的化学反应是在
进行的。
3.叶绿体中光合色素吸收的光能,有两方面用途:
一是将水分解成氧和[H],直接以分子的形式释放出去,则被传递到叶绿体内的基质中,作为活泼的,参与到阶段的化学反应中去;二是在有关的催化作用下,促成发生化学反应,形成
。
4.暗反应阶段,都可以进行,是在进行的。
5.在暗反应阶段,绿叶通过气孔从外界吸收进来的CO2,不能直接被[H]还原,它必须首先与植物体内的结合,这个过程叫做。
6.一个CO2分子被一个C5分子固定以后,很快形成两个分子。
7.在有关酶的催化作用下,C3接受释放的能量并且被还原。
随后,一些接受能量并被还原的则经过一系列变化,形成;另一些接受能量并被还原的则经过一系列的化学变化,又形成,从而使暗反应阶段的化学反应持续地进行下去。
8.光合作用过程的图解:
(1)写出各种物质的名称或者符号:
①;②;③;
④;⑤;⑥;⑦;
(2)写出反应过程的名称:
Ⅰ:
;Ⅱ:
;Ⅲ:
;
Ⅳ:
;Ⅴ:
;
(三)光合作用原理的应用:
1.光合作用强度是指植物在内通过光合作用制造。
2.环境因素对光合作用强度的影响:
①空气中,土壤中的多少,光照的与,光的以及的高低等,都是影响光合作用强度的外界因素。
②光合作用强度可以通过测定一定时间内或的数量来定量地表示。
(四)化能合成作用:
1.绿色植物以光为能源,以为原料合成,糖类中储存着由转换来的能量。
因此,绿色植物属于。
2.人、动物、真菌以及大多数细菌,细胞中没有,不能进行光合作用,它们只能利用来维持自身的生命活动,它们属于。
3.除了绿色植物,自然界中少数种类的细菌,能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物,这种合成作用叫做化能合成作用,这些细菌也属于。
4.生活在土壤中的,不能利用,但是能将土壤中的氧化成,进而将亚硝酸氧化成。
硝化细菌能够利用这两个化学反应中释放出的,将合成,这些糖类可供硝化细菌维持自身的生命活动。
二【互动探究】
1.光反应与暗反应的比较:
光反应
暗反应
条件
场所
光能
酶
物质变化
酶
①:
2H2O4[H]+O2
②:
ADP+Pi+光能ATP
[H],ATP
①:
C5+CO22C3
酶
②:
2C3(CH2O)+C5
能量变化
光能→中活跃的化学能
中活跃的化学能→糖类(CH2O)中稳定的化学能
联系
光反应为暗反应提供还原剂、能量;暗反应为光反应提供
光能光反应暗反应
2.光照和CO2浓度变化对植物细胞内C3、C5、[H]、ATP和O2及(CH2O)含量的影响:
[H]、ATP
CO2+C52C3(CH2O)+C5
①光照突然停止时,短时间内[H]和ATP↓,ADP↑,C3↑,C5↓
②暂时停止CO2供应时,短时间内C5↑,C3↓,[H]和ATP↑,ADP↓
三【课堂练习】
1.光合作用包括光反应和暗反应两个阶段,下列参与暗反应必需的物质是( )
A.H2O、CO2、ADP B.CO2、[H]、ATP
C.H2O、CO2、ATPD.[H]、H2O、ADP
2.在植物细胞中,有ATP的分解,但不能合成ATP的部位是( )
A.细胞质基质B.线粒体
C.叶绿体基粒D.叶绿体基质
3.历经一个半世纪,科学家们做过许多实验,才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物。
在下列几个著名实验中,相关叙述不正确的是( )
A.普里斯特利的实验证明了植物可以更新空气
B.萨克斯的实验也可证明光是光合作用的必要条件
C.恩格尔曼的实验定量分析了水绵光合作用生成的氧气量
D.鲁宾和卡门的实验中,用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用产生的氧气来自H2O而不是CO2
4.右图表示植物光合作用的一个阶段,下列各项叙述正确的是( )
A.该反应的场所是叶绿体的类囊体
B.C3生成C6H12O6需要[H]、ATP和多种酶
C.提高温度一定能促进C6H12O6的生成
D.在无光条件下,有利于暗反应进行
5.下列是有关光合作用的图示,请回答:
(1)写出图甲中下列物质的名称:
A________,C________。
(2)从图甲可知:
光合作用包括D和E两个阶段,E是________,在叶绿体的________中进行,该阶段需要D阶段提供的物质是________和________。
(3)叶绿体的色素分布在________(用图甲的字母回答),可用________法分离。
(4)影响绿色植物光合作用的外界因素有光照强度、CO2浓度、温度等。
①若图乙中的x代表光照强度,光照强度影响光合作用强度主要是影响________阶段(用图甲的字母回答)。
②若图乙中的x代表温度,其主要通过影响________来影响光合作用强度。
③光合作用强度在图丙的a点时达到最大值,请画出CO2浓度继续增加时曲线的变化趋势。
四【拓展拔高】
1.环境因素对光合作用强度的影响:
影响光合作用的因素可以分为内部因素和外部因素,内部因素包括色素的种类和含量、酶的数量等,外界因素主要有光照强度、温度、CO2浓度等。
(1)光照强度与光合作用强度的关系曲线:
①说出各点代表的生物学意义:
A:
光照强度为,只进行;
B:
光合作用强度呼吸作用强度,为光补偿点;
C:
是光合作用达到时所需要的最小光照强度,即光饱和点。
②说出各阶段代表的生物学意义:
0A段:
呼吸作用强度;
AB段:
随光照增强,光合作用增强,但仍比呼吸作用弱;
BD段:
光合作用继续随光照强度的增强而增加,而且光合作用大于呼吸作用。
DE段:
光合作用达到饱和,不再随光照强度的增强而增加。
(2)CO2浓度与光合作用强度的关系:
①A点是进行光合作用所需的最低CO2浓度;
②B点是CO2饱和点,随着CO2浓度的增加,光合作用强度不再增加。
③在一定范围内,植物光合作用强度随CO2浓度的增大而增加;但达到一定浓度时,再增加CO2浓度,光合作用强度也不再增加,甚至减弱。
(3)温度与光合作用强度的关系:
温度主要是通过影响与光合作用有关的酶的活性,而影响光合作用速率。
在一定的温度范围内,光合作用强度随着温度的升高而增强,但超过一定的温度,酶的活性会下降,甚至会变性失活,从而使光合作用减弱甚至停止。
(4)叶龄与光合作用强度的关系:
0A段幼叶不断生长,的含量增加,光合作用强度增强;
AB段成熟叶片含量稳定,光合作用强度基本稳定;
BC段随着叶片的衰老,分解,叶片变,光合作用强度下降。
(5)多因素对光合作用强度的影响:
①P点之前,限制光合作用强度的因素为所表示的因素,随着该因素的不断加强,光合作用强度不断提高。
②Q点时,横坐标所表示的因素,不再是影响光合作用强度的因素,影响因素为坐标图中三条曲线所表示出的因素。
2.化能合成作用:
硝化细菌
2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量
CO2+H2O(CH2O)+O2
硝化细菌
2HNO2+O22HNO3+能量
CO2+H2O(CH2O)+O2
五【课后练习】
1.在叶肉细胞中,CO2的固定和产生场所分别是( )
①叶绿体基质 ②类囊体薄膜 ③线粒体基质 ④线粒体内膜
A.①③ B.②③
C.①④D.②④
2.番茄幼苗在缺镁的培养液中培养一段时间后,与对照组相比,其叶片光合作用强度下降,原因是( )
A.光反应强度升高,暗反应强度降低
B.光反应强度降低,暗反应强度降低
C.光反应强度不变,暗反应强度降低
D.光反应强度降低,暗反应强度不变
3.下列有关叶绿体及光合作用的叙述,正确的是( )
A.破坏叶绿体外膜后,O2不能产生
B.植物生长过程中,叶绿体内各种色素的比例保持不变
C.与夏季相比,植物在冬季光合速率低的主要原因是光照时间缩短
D.离体的叶绿体基质中添加ATP、NADPH和CO2后,可完成碳(暗)反应
4.一种在叶绿体内与光合作用有关的酶,其活性受到pH及镁离子浓度的影响如右图所示。
据图分析,试推测与夜晚相比,叶绿体内的pH及
镁离子浓度在白天最可能发生下列哪一种变化( )
A.pH不变,镁离子浓度不变
B.pH下降,镁离子浓度下降
C.pH下降,镁离子浓度上升
D.pH上升,镁离子浓度上升
5.在上海世博会E区,是以英国贝丁顿“零能耗”社区为原型的“世博零碳馆”。
整个小区只使用可再生资源产生的能源,不需要向大气排放CO2。
下列有关叙述错误的是( )
A.橙色的重铬酸钾溶液,在酸性条件下与CO2发生化学反应变成灰绿色
B.碳在叶肉细胞内的转化途径为:
CO2→C3→(CH2O)→丙酮酸→CO2
C.人在剧烈运动时产生的CO2都是有氧呼吸的产物
D.“零碳馆”房顶植物吸收的CO2将参与暗反应合成有机物
6.2,6二氯酚靛酚是一种蓝色染料,能被还原剂还原成无色,从叶绿体中分离出类囊体,置于2,6二氯酚靛酚溶液中,对其进行光照,发现溶液变成无色,并有O2释放。
此实验证明( )
A.光合作用在类囊体上进行
B.光合作用产物O2中的氧元素来自CO2
C.光反应能产生还原剂和O2
D.光合作用与叶绿体基质无关
7.下图为光合作用与光照强度之间关系的曲线,光照强度在n点时,限制光合作用强度进一步升高的主要因素是( )
①光照强度 ②CO2浓度 ③温度 ④O2浓度
A.②③B.③④
C.①②D.②④
8.光合作用和化能合成作用的相同之处是( )
A.都以太阳能作为能源
B.都需要环境中的物质氧化释放的能量
C.都可以将无机物转变为有机物
D.都是高等生物的代谢类型
9.右图为在不同条件下,光合作用速率随光照强度的变化而变化的曲线(Y表示除光照强度外的其他因素)。
有关分析不正确的是( )
A.在OA段,限制光合作用速率的主要因素是光照强度,而不是Y
B.在AB段,限制光合作用速率的主要因素有光照强度和Y
C.在BC段,限制光合作用速率的主要因素是Y,而不是光照强度
D.Y可表示不同的温度或二氧化碳的浓度,其中Y1>Y2>Y3
10.下图甲为研究光合作用的实验装置。
用打孔器在某植物的叶片上打出多个叶圆片,再用气泵抽出气体直至叶片沉入水底,然后将等量的叶圆片转至含有不同浓度的NaHCO3溶液中,给予一定的光照,测量每个培养皿中叶圆片上浮至液面所用的平均时间(见图乙),以研究光合作用速率与NaHCO3溶液浓度的关系。
有关分析正确的是( )
A.在a~b段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,光合作用速率逐渐减小
B.在b~c段,单独增加光照或温度或NaHCO3溶液浓度,都可以缩短叶圆片上浮的时间
C.在c点以后,因NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降
D.因配制的NaHCO3溶液中不含氧气,所以整个实验过程中叶片不能进行呼吸作用
11.某绿色植物的叶肉细胞中存在两种主要的代谢过程,如图所示。
对此解释错误的是
( )
A.a表示光合作用,只在叶绿体中发生
B.b表示有氧呼吸,只在线粒体中发生
C.a过程产生氧气和水
D.b过程可能消耗氧气和水
12.下图表示某绿色植物在生长阶段体内物质的转变情况,图中a、b为光合作用的原料,①~④表示相关过程,有关说法不正确的是( )
A.图中①过程进行的场所是叶绿体的类囊体薄膜
B.光合作用过程中[H]来源于①过程中水的光解,用于③过程C3的还原
C.在有氧呼吸的第一阶段,除了产生了[H]、ATP外,产物中还有丙酮酸
D.②、④过程中产生ATP最多的是④过程
13.白天用H218O浇花草,周围空气中CO2会含有18O,H218O中的18O进入CO2的途径是( )
A.经光反应进入O2,再经有氧呼吸第二阶段进入CO2
B.经暗反应进入(CH2O),再经有氧呼吸第二阶段进入CO2
C.经暗反应进入(CH2O),再经有氧呼吸第一阶段进入CO2
D.直接经有氧呼吸第二阶段进入CO2
14.通过实验测得一片叶子在不同光照强度下CO2吸收和释放的情况如下图所示。
图中所示细胞发生的情况与曲线中AB段(不包括A、B两点)相符的一项是( )
15.右图表示某地夏季一密闭大棚内一昼夜间CO2浓度的变化。
下列能正确表示e点时单位时间内棚内植株消耗的CO2总量与消耗的O2总量之比(体积比)的是( )
16.观赏植物蝴蝶兰可通过改变CO2吸收方式以适应环境变化。
长期干旱条件下,蝴蝶兰在夜间吸收CO2并储存在细胞中。
(1)依图1分析,长期干旱条件下的蝴蝶兰在0~4时________(填“有”或“无”)ATP和[H]的合成,原因是________;此时段________(填“有”或“无”)光合作用的暗反应发生,原因是________;10~16时无明显CO2吸收的直接原因是________________。
(2)从图2可知,栽培蝴蝶兰应避免________,以利于其较快生长。
此外,由于蝴蝶兰属阴生植物,栽培时还需适当________________。
17.植物的光合作用受多种内、外因素的影响。
某生物兴趣小组为了研究上述问题,给叶面积相等的A、B两种植物的叶片以不同强度的光照,测定A、B两种植物叶片的CO2吸收量和CO2释放量,结果如下图甲所示,图乙中的曲线是B植物在图甲中c光照强度下所测得的,请据图回答问题:
(1)由甲、乙两图可以看出影响光合作用的环境因素包括_______________________。
(2)图甲中d光照强度下A、B两种植物的CO2同化量分别为________mg/(m2·h)、________mg/(m2·h)。
(3)图甲中,若给予的光照强度为xklx(a<x<b),每日光照12小时,一昼夜中A植物的干重将________,B植物的干重将________。
(4)图乙中当温度为30℃时,制约植物光合作用强度进一步增强的是光合作用的________阶段。
(5)如何在图乙所示实验的数据基础上设计实验以确定该植物在0.03%CO2浓度的条件下光合作用的最适温度?
(只要求写出设计思路)
18.请据图回答有关植物光合作用和细胞呼吸的问题:
(1)图甲中光反应的场所是________,a、b物质参与暗反应中的________过程。
(2)图乙中A过程的场所是________,ATP产生量最多的是________(填字母)过程。
写出图乙过程的总反应式:
___________________________________________________________。
(3)图丙表示在二氧化碳充足的条件下,某植物光合速率与光照强度、温度的关系。
在温度为10℃时,光照强度大于________千勒克司后,该植物光合速率不再随光照强度增加而增加。
当温度为20℃时,光照强度由4千勒克司瞬时上升到12千勒克司,此刻该植物叶绿体内C5的含量将________。
当温度为30℃、光照强度小于12千勒克司时,限制该植株光合速率的因素是________。
答案:
一【自主学习】
绿色植物,叶绿体,光能,二氧化碳,水,能量,氧气;
(一)光合作用的探究历程:
1.更新空气;2.阳光;3.光能,化学能;4.淀粉;5.叶绿体;
6.同位素标记法,水;7.卡尔文循环;
(二)光合作用的过程:
1.CO2+H2O→(CH2O)+O2(光能,叶绿体),糖类;
2.光,类囊体的薄膜上;
3.氧,[H],还原剂,暗反应,酶,ADP和Pi,ATP;
4.有没有光,叶绿体内的基质中;
5.C5(一种五碳化合物),二氧化碳的固定;
6.C3(一种三碳化合物);
7.ATP,[H],C3,糖类,C3,C5;
8.
(1)写出各种物质的名称或者符号:
①叶绿体中的色素;②O2;③[H];④ATP;⑤2C3;⑥CO2;⑦(CH2O);
(2)写出反应过程的名称:
Ⅰ:
光反应阶段;Ⅱ:
暗反应阶段;Ⅲ:
水在光下分解;Ⅳ:
固定;Ⅴ:
还原;
(三)光合作用原理的应用:
1.单位时间,糖类;
2.①水分,长短,强弱,成分,温度;
②原料消耗,产物生成;
(四)化能合成作用:
1.CO2和H2O,糖类,光能,自养生物;
2.叶绿素,光合作用,现成的有机物;
3.自养生物;
4.硝化细菌,光能,氨(NH3),亚硝酸(HNO2),硝酸(HNO3),化学能,CO2和水,糖类;
二【互动探究】
1.光反应与暗反应的比较:
光反应
暗反应
条件
必须有光
有没有光都可以
场所
光能
叶绿体内类囊体的薄膜上
酶
叶绿体内的基质中
物质变化
酶
①水的光解:
2H2O4[H]+O2
②ATP的形成:
ADP+Pi+光能ATP
[H],ATP
①CO2固定:
C5+CO22C3
酶
②C3的还原:
2C3(CH2O)+C5
能量变化
光能→ATP中活跃的化学能
ATP中活跃的化学能→糖类(CH2O)中稳定的化学能
联系
光反应为暗反应提供还原剂[H]、能量ATP;暗反应为光反应提供ADP和Pi
光能光反应暗反应
三【课堂练习】
1.解析:
光合作用暗反应过程包括二氧化碳的固定(CO2+C5
2C3)和C3的还原[2C3
(CH2O)],还原需要[H]作为还原剂和酶的催化,并消耗能量(ATP分解)。
答案:
B
2.解析:
植物细胞内能产生ATP的结构有细胞质基质、线粒体和叶绿体。
叶绿体基质是光合作用暗反应进行的场所,利用光反应产生的ATP和[H]还原C3,即存在ATP的分解,但无ATP的合成。
答案:
D
3.解析:
恩格尔曼的实验能够证明氧气由叶绿体释放出来,叶绿体是进行光合作用的场所,而不能定量分析光合作用生成的氧气量。
答案:
C
4.解析:
图示为光合作用的暗反应阶段,该反应进行的场所是叶绿体基质。
C3生成C6H12O6需在多种酶的催化下,利用ATP提供的能量,通过[H]的还原进行。
若在最适温度条件下,提高温度反而会降低酶的活性,会使反应减弱。
在无光条件下,暗反应会因[H]和ATP的缺乏受到限制。
答案:
B
5.解析:
图甲中A是O2,B是ATP,C是C3,D是光反应,E是暗反应,F是基粒。
叶绿体中的色素分布在类囊体的薄膜上,可用纸层析分离绿叶中的色素。
光照主要影响光合作用的光反应阶段,温度主要影响酶的活性。
答案:
(1)O2 三碳化合物(或C3)
(2)暗反应 基质 [H] ATP(或B)
(3)F 纸层析
(4)①D ②酶的活性 ③如右图
五【课后练习】
1.解析:
光合作用暗反应中二氧化碳的固定场所为叶绿体基质;叶肉细胞中有氧呼吸过程的第二阶段才产生二氧化碳,该过程发生的场所为线粒体基质。
答案:
A
2.解析:
镁是叶绿素的组成成分,缺镁会导致叶绿素缺少而使光反应强度降低,进而因[H]和ATP合成不足而使暗反应强度降低。
答案:
B
3.解析:
植物光合作用的光反应在叶绿体类囊体薄膜上进行,碳反应(暗反应)在叶绿体基质中进行,因此破坏叶绿体外膜,不影响O2的产生;离体的叶绿体基质中含有的碳反应有关的酶,获得ATP、NADPH和CO2后,可完成碳反应;植物生长过程中,叶绿体中色素的比例会随植物生长期、光照、温度等的变化而变化;与夏季相比,植物在冬季光合速率降低的主要原因是温度降低和光照减弱。
答案:
D
4.解析:
植物在白天光合作用旺盛,说明相关酶的催化活性较高,故pH上升,镁离子浓度上升。
答案:
D
5.解析:
橙色的重铬酸钾溶液,在酸性条件下与酒精发生化学反应变成灰绿色;碳在叶肉细胞内光合作用的转化途径为CO2→C3→(CH2O),呼吸作用的转化途径为(CH2O)→丙酮酸→CO2;人体无氧呼吸的产物是乳酸,故剧烈运动时产生的CO2都是有氧呼吸的产物;光合作用过程中植物吸收的CO2在暗反应阶段合成有机物。
答案:
A
6.解析:
依据题中信息可判断,光照后溶液变为无色,说明有还原剂产生;有O2释放,说明该过程有O2产生;类囊体是光合作用光反应阶段的场所。
答案:
C
7.解析:
光合作用受光照、温度、CO2浓度和无机盐等因素影响。
n点时,随着光照强度增加,光合作用强度不再增加,说明光照强度不是限制因素。
答案:
A
8.解析:
光合作用是绿色植物利用光能把CO2和H2O转化为有机物的过程,化能合成作用是某些微生物利用环境中的物质氧化释放的化学能,把CO2和H2O转变成有机物的过程,两者的不同点是,前者利用的能量是光能,后者利用的是化学能,两者的相同点都是把无机物转变为有机物,从生物类型来看,前者是所有绿色植物都能进行的,而后者只有低等生物——硝化细菌等微生物才能进行。
答案:
C
9.解析:
OA段,光合作用速率主要取决于光照强度,而不是Y;AB段,光照强度和Y的改变都会影响光合作用速率;BC段,光照强度的改变不再影响光合作用速率;光合作用速率随温度的升高而升高,超过一定温度后,光合作用速率随温度的升高而下降,Y2不一定比Y1低。
答案:
D
10.解析:
在a~b段,随着NaHCO3溶液浓度的增加,叶圆片上浮至液面所用的平均时间变短,表明光合作用速率逐渐增大;在b~c段,单独增加光照或温度可以缩短叶圆片上浮至液面所用的时间,但单独增加NaHCO3溶液浓度不能缩短叶圆片上浮至液面所用的时间;在c点以后,因NaHCO3溶液浓度过高,使叶肉细胞失水而导致代谢水平下降;凡是活细胞都能进行呼吸作用。
答案:
C
11.解析:
图中的a、b两过程分别是光合作用和呼吸作用。
绿色植物的叶肉细胞中光合作用是在叶绿体中进行的,其产物还有氧气和水;呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸两种方式,有氧呼吸的第一阶段是在细胞质基质中进行的,第二和第三阶段是在线粒体中进行的,无氧呼吸都是在细胞质基质中进行的。
答案:
B
12.解析:
④相当于有氧呼吸第一、二阶段,②为第三阶段,其中产生ATP最多的是第三阶段(即②)。
答案:
D
13.解析:
H2O既是光合作用的原料,又是光合作用的产物,在光合作用过程中,6CO2+12H2O―→C6H12O6+6H2O+6O
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- 54 能量